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11Seminar Datenbanken

Granularity of Locks and Granularity of Locks and Degrees of Consistency Degrees of Consistency

in a in a Shared Data BaseShared Data Base

Seminar DatenbankenSeminar Datenbanken

15. Mai 2009

Marc HartmannMarc Hartmann

Granularität von Sperren und Grade der Konsistenz in einer geteilten Datenbank

Seminar Datenbanken 22

AblaufAblauf

Hierarchisches SperrsystemHierarchisches Sperrsystem Verschiedene SperrmodiVerschiedene Sperrmodi Regeln für das SperrenRegeln für das Sperren Kompatibilität zwischen den ModiKompatibilität zwischen den Modi DAG (Gerichteter azyklischer Graph)DAG (Gerichteter azyklischer Graph) Dynamischer DAGDynamischer DAG SchedulingScheduling UmwandlungenUmwandlungen DeadlocksDeadlocks


AblaufAblauf

KonsistenzKonsistenz TransaktionTransaktion KonsistenzgradeKonsistenzgrade Konsistenz bei der EinplanungKonsistenz bei der Einplanung Auswirkungen eines SystemcrashsAuswirkungen eines Systemcrashs Kosten für KonsistenzKosten für Konsistenz


Hierarchie in der DatenbankHierarchie in der Datenbank

DatenbankDatenbank

Bereich

DateiDatensatz

Eintrag


Das ProblemDas ProblemWie wählt man die richtige Größe für

sperrbare Einheiten in einer Datenbank ?

Sperrt man nur den Datensatz oder den Eintrag, den man lesen oder schreiben will?

Sperrt man den ganzen Bereich, in dem man lesen oder schreiben will?

Sehr gut für gleichzeitigen Zugriff.Viel Overhead bei komplexen Transaktionen.

Einfacher Zugriff bei komplexen Transaktionen.Konkurrierende Transaktionen können nicht mehr zugreifen.


Die LösungDie Lösung

Verschiedene Granualitäten für Sperrbare Einheiten

DatenbankDatenbank

BereichDatei

Datensatz

Eintrag

Datenbank

Bereiche

Dateien

Datensätze


Arten von SperrenArten von Sperren

XX Exklusiv Modus (exclusiv mode)Sperrt einen Knoten für exklusiven Zugang und implizit auch alle seine Nachfahren.

(z.B. für Schreibzugriffe)

SS Geteilter Modus (share mode)Sperrt einem Knoten für teilbaren Zugriffund implizit auch alle seine Nachfahren.

(z.B. für Lesezugriffe)


Arten von SperrenArten von SperrenWie verhindert man, dass das Sperren eines Teilbaums nicht bereits gesperrte Nachfahren implizit überschreibt?

II Absichtsmodus (intention Mode)

Beim Sperren eines Knotens wird implizit jeder Elternknoten im I-Modus gesperrt.

IXIX Ein Kindknoten ist für den exklusiven Zugang gesperrt.

ISIS Ein Kindknoten ist für einen geteilten Zugang gesperrt.

IS

IS

IS

S

Datenbank

Bereiche

Dateien

Datensätze S

Datenbank

Bereiche

Dateien

Datensätze

X


Arten von SperrenArten von Sperren

X

S

Datenbank

Bereiche

Dateien

Datensätze

SIXSIXAlle Nachfahren werden implizit in S gesperrt und die sperrende Transaktion kann gezielt Nachfahren in X sperren.

IX

SIX

X

S

Datenbank

Bereiche

Dateien

Datensätze

S S

SS

Was kann man tun, wenn eine Transaktion in einem Teilbaum große Teile lesen und einige beschreiben will?


Regeln für das SperrenRegeln für das Sperren

Es ist nicht erlaubt Sprünge in die Mitte des Baumes zu machen.

X

Bevor eine S- oder IS-Sperre angefordert wird, müssen alle Vorfahren in IX- oder IS-Modus gehalten werden.

S

IS

IX

Bevor eine X-, SIX- oder IX-Sperre angefordert wird, müssen alle Vorfahren in SIX- oder IX-Modus gehalten werden.

SIX

IX

X


Regeln für das SperrenRegeln für das Sperren

Sperren müssen entweder am Ende der Transaktion, in beliebiger Reihenfolge, freigegeben werden,

oder von den Nachkommen zur Wurzel hin freigegeben werden. SIX

IX

X

SIX

IX

X


Kompatibilität zwischen den ModiKompatibilität zwischen den Modi

NL IS IX S SIX XNL Ja Ja Ja Ja Ja JaIS Ja Ja Ja Ja Ja NeinIX Ja Ja Ja Nein Nein NeinS Ja Ja Nein Ja Nein Nein

SIX Ja Ja Nein Nein Nein NeinX Ja Nein Nein Nein Nein Nein

NL – Keine SperreIS – Intention Share ModeIX – Intention Exclusive ModeS – Share ModeSIX – Intention Share And Exclusive ModeX – Exclusive Mode


Datenbank

Bereiche

Dateien

Datensätze


XTransaktion 1X

XXX

XXX

X X X STransaktion 2 X

NL

IS

IX

S

SIX

X

Ja

Nein

Nein

Nein

Nein

Nein

X



ISTransaktion 1 S

S

STransaktion 2

S

Transaktion 3 X S

SX

SIX

IX

XTransaktion 4

SSS

S S S

ISIX

NL

IS

IX

S

SIX

X

Ja

Ja

Ja

Ja

Ja

Nein

IS



IS

Transaktion 1 X

X

IX

IX

STransaktion 2

Transaktion 3 S

S

IS

NL

IS

IX

S

SIX

X

Ja

Ja

Ja

Nein

Nein

Nein

IX


Ordnung der ModiOrdnung der Modi

Keine Sperre (NL)

IS

IXS

SIX

X


Die Datenbank als gerichteter Die Datenbank als gerichteter azyklischer Graph (DAG)azyklischer Graph (DAG)

Datenbank

Bereiche

Felder Indizes

Einträge

Datei


Änderungen an den Regeln für das Änderungen an den Regeln für das SperrenSperren

Bevor eine S- oder IS-Sperre angefordert wird, muss mindestens ein Elternteil mindestens im IS-Modus gehalten werden (und somit implizit ein Weg bis zur Wurzel).

Bevor eine X-, SIX- oder IX-Sperre angefordert wird, müssen alle Eltern mindestens im IX-Modus gehalten werden.

S

IS

IS

IX

X

IX IX

IX

SIX


Dynamischer SperrgraphDynamischer Sperrgraph

Datenbank

Bereiche

Nicht indizierteFelder

Indizes

Datensatz-kennungen

IndexIndervalle

indizierteFelder

Datei


BeispielBeispiel

Konto DatensatzOrt: Kassel

Kontostand: 0

Indiziert

nicht Indiziert

123456Datensatzkennung

Index OrtAachen 012345Aachen 356872

Kassel 256705Kassel 123456Kassel 356782

Intervall Kassel

Datei KontenIndizes: Inhaber

Ort

Datensätze123456

OrtInhaberKontostand


Beispiel: Ändern des KontostandesBeispiel: Ändern des Kontostandes


Kontostand: 0

123456




Ort

Datensätze123456


15 X

IX

IXIndex muss nicht gesperrt werden,

da er nicht berührt wird


Beispiel: Ändern des OrtesBeispiel: Ändern des Ortes


Kontostand: 0

123456




Ort

Datensätze123456


Fulda XIX

IX

IX

IX


SchedulingScheduling

IX SIS X

Einfachstes Prinzip: First In First Out (FIFO)

IS IS IS IS IS IX

Bewilligte Gruppe

Keine Sperre (NL)

IS

IXS

SIX

X



ISIX


SchedulingScheduling

IX SIS XIS IS IS IS IS IX

Bewilligte Gruppe ISIXS

Keine Sperre (NL)

IS

IXS

SIX

X



Einfachstes Prinzip: First In First Out (FIFO)


UmwandlungenUmwandlungenBenötigt nun eine Transaktion eine andere Art von Zugang zu einem Knoten, so muss der Modus umgewandelt werden.

Der neue Modus ist der höhere zwischen dem bereits bewilligten Modus und dem neuen.

Wird zusätzlich zu einer IX- ein S-Sperre angefordert, so ergibt sich als neuer Modus SIX.


UmwandlungenUmwandlungen

IS

IS IS

Bewilligte Gruppe

X Umwandlung muss warten, bis die zweite Transaktion abgearbeitet wurde, da X nicht mit IS kompatibel ist.

S

IS

Bewilligte Gruppe

IX

IXSIX

SIXUmwandlung wird gewährt, der neue Gruppenmodus ist SIX


Deadlocks (Verklemmungen)Deadlocks (Verklemmungen)

IS

IS IS

Bewilligte Gruppe

X X Beide Transaktionen warten darauf, dass die andere fertig wird (Deadlock).

Das Schedule-System muss nach der Feststellung eines Deadlocks die Aktionen einer Transaktion zurückrollen, um der anderen Transaktion Vorrang zu geben.


KonsistenzKonsistenz

Konsistenz bedeutet in einer Datenbank, dass alle Behauptungen über Beziehungen in einer Datenbank erfüllt sind.

Beispiel:

Es gibt in einer Datenbank Mitarbeiterdatensätze und (an anderer Stelle) einen Eintrag wie viele Mitarbeiter das Unternehmen hat.

Die Datenbank ist nur Konsistent, wenn es genau so viele Mitarbeiterdatensätze gibt, wie die Zahl der Mitarbeiter angibt.


KonsistenzKonsistenz

In einigen Fällen muss die Datenbank vorübergehend inkonsistent sein, z.B. kann in unserem Beispiel nicht gleichzeitig ein neuer Mitarbeiterdatensatz angelegt und die Anzahl erhöht werden.

Zur Lösung dieser temporären Inkonsistenzen werden Sequenzen von Aktionen zu Transaktionen zusammengefasst.


TransaktionenTransaktionen

Transaktionen sind die Einheiten der Konsistenz.

Sie überführen die Datenbank von einem konsistenten Zustand zum nächsten.

Schlägt eine Aktion einer Transaktion fehl, so muss die gesamte Transaktion ‚rückgängig‘ gemacht werden um die Konsistenz zu erhalten.


Transaktionen und SperrenTransaktionen und Sperren

Wird immer nur eine Transaktion nach der anderen durchgeführt, so sieht eine Transaktion immer einen konsistenten Zustand der Datenbank, der von ihrem Vorgänger zurückgelassen wurde.

Werden jedoch ‚gleichzeitig‘ mehrere Transaktionen durch das Schedule-System bearbeitet, sind Sperren notwendig um die Konsistenz für jede dieser Transaktionen zu gewährleisten.

Diese Sperren können entweder durch den Benutzer gesetzt werden, oder automatisch durch das Datenbanksystem.


KonsistenzgradeKonsistenzgrade

Benennungen:

Eine Ausgabe einer Transaktion nennen wir festgelegt (committed), wenn die Transaktion auf ihr Recht zum ‚Rückgängigmachen‘ verzichtet.

Eine Ausgabe, die noch nicht festgelegt wurde nennen wir verschmutzt (dirty).



Grad 0:

Eine Transaktion überschreibt keine verschmutzten Daten einer anderen Transaktion.

Grad 0 konsistente Transaktionen sind nicht wiederherstellbar, da andere Transaktionen bereits neue Werte in geänderten Felder eingetragen haben können.



Grad 1:


Grad 1 ermöglicht es eine gerade bearbeitete Transaktion ohne zusätzliche Sperren rückgängig zu machen (Backup). Es werden keine Änderungen anderer Transaktionen überschieben.

Eine Transaktion legt ihre Daten erst bei EOT(End Of Transaction) fest.



Grad 2:


Grad 2 isoliert eine Transaktion von den Aktionen anderer Transaktionen.

Eine Transaktion legt ihre Daten erst bei EOT fest.

Eine Transaktion liest keine Daten, die von anderen Transaktionen verschmutzt wurden.



Grad 3:


Grad 3 isoliert eine Transaktion vor verschmutzten Beziehungen zwischen den Werten.

Eine Transaktion legt ihre Daten erst bei EOT fest.

Eine Transaktion liest keine Daten, die von anderen Transaktionen verschmutzt wurden.Die Daten, die eine Transaktion liest werden von keiner anderen Transaktion verschmutzt.


SperrprotokolldefinitionSperrprotokolldefinitionGrad 0: T setzt eine (kurze) exklusive Sperre auf

alle Daten, die sie verschmutzt (schreibt).

Grad 1: T setzt eine lange exklusive Sperre aufalle Daten, die sie verschmutzt.

Grad 2: T setzt eine lange exklusive Sperre aufalle Daten, die sie verschmutzt undsetzt eine (kurze) geteilte Sperre auf Daten, die sie liest.

Grad 3: T setzt eine lange exklusive Sperre aufalle Daten, die sie verschmutzt undsetzt eine lange geteilte Sperre auf Daten, die sie liest.



Solange alle Transaktionen mindestens Grad 0 einhalten sieht jede Transaktion den von ihr verwendeten Grad.

Solange alle Transaktionen mindestens Grad 1 einhalten ist ein Systemweites Backup (Rückgängigmachen aller aktiven Transaktionen) ohne Datenverlust möglich.

Halten alle Transaktionen mindestens den Grad 2 ein, so kann jede einzelne Transaktion rückgängig gemacht werden und das System bleibt konsistent.

Eine Grad 3 konsistente Transaktion ist wiederholbar.


BeispielBeispielProzess 1 liest sekündlich einen Pegelstand und schreibt die Werte, in einer Transaktion, jede Minute in die Datenbank.

6

7

3

8

6

7

Aus Performanzgründen erfolgt dies im Grad 0, d.h. jeder geschriebene Eintrag wird sofort bestätigt.

DBP1


BeispielBeispielProzess 2 liest diese Daten in regelmäßigen Abständen und schreibt Mittelwert und Varianz in die Datenbank.

6

7

DB

3

8

P2

Mittel = 6

Varianz = 5

Diese Transaktionmuss im Grad 1 laufen, um sicherzustellen, dass Mittelwert und Varianz aus den selben Werten berechnet wurde.(Wenn T abbricht muss ein evtl. bereits geschriebener Wert zurückgenommen werden können)


BeispielBeispielProzess 2 liest die Mittelwerte und gibt sie auf einem Display aus.

6

7

DB

3

8

P2

Mittel = 6

Varianz = 5Diese Transaktionmuss im Grad 2 laufen, um sicherzustellen, dass der Mittelwert bereits festgelegt wurde(nicht noch zurückgenommen wird).


BeispielBeispielProzess 3 verwendet Mittelwert und Varianz zur Steuerung des eines Mischers.

6

7

DB

3

8

P3

Mittel = 6

Varianz = 5Diese Transaktionmuss im Grad 3 laufen, um sicherzustellen, dass Mittelwert und Varianz aus der selben Berechnung stammen.


Konsistenz bei der EinplanungKonsistenz bei der Einplanung

Bei seriellen Einplanungen entstehen keine Konflikte, jede Transaktion bleibt Konsistent.

Nur wenn alle Transaktionen im Grad i laufen, sieht jede Transaktion auch diesen Grad.

Daher hat ein Zeitplan (Schedule) den selben Konsistenzgrad wie seine ‚schlechteste‘ Transaktion.


Auswirkungen eines SystemcrashsAuswirkungen eines Systemcrashs

t

S0

Transaktion 1

Transaktion 2

Transaktion 3

Transaktion 4

Transaktion 5

S1 S2 S3

Systemwiederherstellung: Datenbank in konsistenten Zustand bringen

Ausgehend von S2

Nur möglich wenn alle Transaktionen mindestens Grad 2 einhalten (Der Zeitplan hat mindestens Grad 2).



S0

Transaktion 1

Transaktion 2

Transaktion 3

Transaktion 4

Transaktion 5

S1


Ausgehend von S1

t

S3

Transaktion 2

Transaktion 3

S2

Nur möglich wenn alle Transaktionen mindestens Grad 1 einhalten.

Transaktion 5



t

S0

Transaktion 1

Transaktion 2

Transaktion 3

Transaktion 4

Transaktion 5

S1 S2 S3


Ausgehend von S0

Im jedem Konsistenzgrad möglich.


KostenvergleichKostenvergleich

Grad

0

1

2

CPU

W

W

W + R

W + R

In Sperrsystemaufrufen

Speicher

1

W

W + 1

W + R

In WarteschlangenElementen

W – Anzahl der SchreibaktionR – Anzahl der Leseaktion

CPU

W+P*C*N*W*(1)

W+R+P*C*N*W*(W+R+1)

In Sperrsystemaufrufen

mit Wartezeiten

W+P*C*N*W*(W)

W+R+P*C*N*W*(W+2*R)

P – Wahrscheinlichkeit einer KollisionN – Anzahl der TransaktionenC – Wie viel mal mehr Aufwand ein Warten gegenüber einer Sperraktion benötigt

3


Kostenvergleichs BeispielKostenvergleichs Beispiel

Bank-Transaktionen lesen 5 Mal (R = 5)und schreiben 6 Mal (W = 6).

Da es mehrere Millionen Konten gibt beträgt die Wahrscheinlichkeit einer Kollision etwa (P) 0,000001.

Es gibt (N) 100 Transaktionen pro Sekunde.

Für eine Sperre benötigt das System 100 Anweisungen, für ein Warten 5000, somit ist C = 50

P*C*N*W = 0,000001*50*100*6 = 0,03

W+P*C*N*W*(1) = 6,03 6,00 = W

3Grad Speicher CPU CPU mit Wartezeiten

0 1 S W+P*C*N*W*(1)


QuellenQuellen

J.N. Gray, R.A. Lorie, G.R. Putzolu, I.L. Traiger (1976)Granularity of Locks and degrees of Consistency in a Shared Data BaseIn:Joseph M. Hellerstein, Michael Stonebraker (Hrsg.) (2005)Readings in Database Systems, 4th Edition MIT PressS. 244-273ISBN 978-0262693141


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